KR102324006B1 - System and method for mixing tempering air with flue gas for hot scr catalyst - Google Patents
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Abstract
단순-사이클 가스 터빈 시스템이, 가스 터빈 엔진에 의해 생성되는 배기 가스를 처리할 수 있는 배기 처리 시스템의 덕트 내로 유체를 분사할 수 있는, 복수의 분사 튜브를 포함하는 분사 시스템을 포함한다. 배기 처리 시스템은, 배기 가스 내부의 질소산화물들(NOx)의 레벨을 감소시킬 수 있는, 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템; 및 복수의 분사 튜브에 인접하게 그리고 배기 처리 시스템 내부에 배치되는 혼합 시스템을 포함한다. 혼합 시스템은, 배기 처리 시스템의 축을 따르는 난류를 촉진하기 위해 그리고 그로 인해 유체와 배기 가스 사이의 혼합을 가능하게 하도록, 제1 소용돌이 방향으로, 유체, 또는 배기 가스, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 할 수 있는 복수의 난류 발생기를 구비하는, 혼합 모듈을 포함한다.A simple-cycle gas turbine system includes an injection system comprising a plurality of injection tubes capable of injecting a fluid into a duct of an exhaust treatment system capable of treating exhaust gases produced by a gas turbine engine. The exhaust treatment system includes a selective catalytic reduction (SCR) system, which can reduce the level of nitrogen oxides (NO x ) inside the exhaust gas; and a mixing system disposed adjacent the plurality of injection tubes and within the exhaust treatment system. The mixing system may swirl the fluid, or the exhaust gas, or both, in a first vortex direction, to promote turbulence along an axis of the exhaust treatment system and thereby to enable mixing between the fluid and the exhaust gas. a mixing module, comprising a plurality of turbulence generators.
Description
본 명세서에 개시되는 대상은, 터빈 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 배기 가스 처리에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The subject matter disclosed herein relates to turbine systems and, more particularly, to exhaust gas treatment.
가스 터빈 시스템들은 전형적으로, 압축기, 연소기, 및 터빈을 구비하는, 적어도 하나의 가스 터빈 엔진을 포함한다. 연소기는, 결과적으로 터빈의 블레이드들을 구동하는, 고온 연소 가스를 생성하기 위해 연료와 압축 공기의 혼합물을 연소시키도록 구성된다. 가스 터빈 엔진에 의해 생성되는 배기 가스는, 질소산화물들(NOx), 황산화물들(SOx), 탄소산화물들(COx), 및 미연 탄화수소들과 같은, 특정 부산물들을 포함할 수 있을 것이다. 일반적으로, 배기 가스가 가스 터빈 시스템을 나가기 이전에 배기 가스 내에서 그러한 부산물들을 제거하거나 또는 그 양을 실질적으로 감소시키는 것이 바람직하다.Gas turbine systems typically include at least one gas turbine engine, including a compressor, a combustor, and a turbine. The combustor is configured to combust a mixture of fuel and compressed air to produce hot combustion gases, which in turn drive the blades of the turbine. Exhaust gas produced by a gas turbine engine may contain certain by-products, such as nitrogen oxides (NO x ), sulfur oxides (SO x ), carbon oxides (CO x ), and unburned hydrocarbons. . In general, it is desirable to remove or substantially reduce the amount of such by-products in the exhaust gas before it exits the gas turbine system.
본래 청구된 발명과 범위에 관해 상응하는 특정 실시예들이, 이하에 개설된다. 이러한 실시예들은, 청구된 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니며, 대신에 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 가능한 형태들에 대한 간결한 개요를 제공하고자 하는 것이다. 실제로, 본 발명은, 이하에 서술되는 실시예들과 유사하거나 또는 상이할 수 있는, 다양한 형태들을 포괄할 수 있을 것이다. Corresponding specific embodiments of the originally claimed invention and scope are outlined below. These examples are not intended to limit the scope of the claimed invention, but rather these examples are merely intended to provide a concise overview of possible forms of the invention. Indeed, the present invention may encompass various forms, which may be similar to or different from the embodiments set forth below.
제1 실시예에서, 단순-사이클 가스 터빈 시스템이, 가스 터빈 엔진에 의해 생성되는 배기 가스를 처리할 수 있는 배기 처리 시스템의 덕트 내로 유체를 분사할 수 있는, 복수의 분사 튜브를 포함하는 분사 시스템을 포함한다. 배기 처리 시스템은, 배기 가스 내부의 질소산화물들(NOx)의 레벨을 감소시킬 수 있는, 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템; 및 복수의 분사 튜브에 인접하게 그리고 배기 처리 시스템 내부에 배치되는 혼합 시스템을 포함한다. 혼합 시스템은, 배기 처리 시스템의 축을 따르는 난류를 촉진하기 위해 그리고 그로 인해 유체와 배기 가스 사이의 혼합을 가능하게 하도록, 제1 소용돌이 방향으로, 유체, 또는 배기 가스, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 할 수 있는 복수의 난류 발생기를 구비하는, 혼합 모듈을 포함한다. In a first embodiment, a simple-cycle gas turbine system comprising a plurality of injection tubes capable of injecting a fluid into a duct of an exhaust treatment system capable of treating exhaust gases produced by a gas turbine engine. includes The exhaust treatment system includes a selective catalytic reduction (SCR) system, which can reduce the level of nitrogen oxides (NO x ) inside the exhaust gas; and a mixing system disposed adjacent the plurality of injection tubes and within the exhaust treatment system. The mixing system may swirl the fluid, or the exhaust gas, or both, in a first vortex direction, to promote turbulence along an axis of the exhaust treatment system and thereby to enable mixing between the fluid and the exhaust gas. a mixing module, comprising a plurality of turbulence generators.
제2 실시예에서, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템이, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템의 배기 처리 시스템 내에 배치되는 혼합 시스템을 포함한다. 혼합 시스템은, 냉각 공기, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템의 대형 가스 터빈 엔진에 의해 생성되는 배기 흐름, 또는 양자 모두를 제1 소용돌이 방향으로, 소용돌이치게 하도록 배기 처리 시스템 내부에 배치되고 구성되는 제1 복수의 난류 발생기를 포함하는, 제1 혼합 모듈; 및 냉각 공기, 배기 흐름, 또는 양자 모두를 제2 소용돌이 방향으로, 소용돌이치게 할 수 있는 제2 복수의 난류 발생기를 포함하는, 제2 혼합 모듈을 포함한다.In a second embodiment, a simple-cycle large gas turbine system includes a mixing system disposed within an exhaust treatment system of the simple-cycle large gas turbine system. The mixing system includes a first disposed and configured within the exhaust treatment system to swirl, in a first vortex direction, cooling air, an exhaust stream produced by a large gas turbine engine of the simple-cycle large gas turbine system, or both. a first mixing module comprising a plurality of turbulence generators; and a second mixing module comprising a second plurality of turbulence generators capable of swirling the cooling air, the exhaust stream, or both, in a second vortex direction.
제3 실시예에서, 단순-사이클 가스 터빈 시스템 내에서 배기 가스를 처리하는 방법이, 가스 터빈 엔진으로부터 배기 처리 시스템의 전이 섹션 내로 배기 흐름을 유동시키는 것; 냉각 공기를 분사할 수 있는 복수의 공기 분사 튜브를 포함하는 공기 분사 시스템을 사용하여 전이 섹션 내의 배기 흐름의 유동 내로 냉각 공기를 분사하는 것; 및 혼합 모듈들의 배열 집단을 구비하는 혼합 시스템을 사용하여, 배기 처리 시스템의 전이 섹션 내에서, 배기 흐름, 또는 냉각 공기, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하는 것을 포함한다. 혼합 모듈들의 배열 집단의 각각의 혼합 모듈은, 배기 흐름, 냉각 공기, 또는 양자 모두를, 제1 방향, 제2 방향, 또는 양자 모두로, 소용돌이치게 할 수 있는, 복수의 난류 발생기를 포함하며, 그리고 배기 가스, 공기, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하는 것은, 냉각된 배기 가스를 생성하기 위해 배기 처리 시스템 내부에서 배기 흐름과 냉각 공기를 혼합하며 그리고 배기 흐름과 냉각 공기 사이의 열 전달을 용이하게 한다. 방법은 또한, 냉각된 배기 가스를 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템으로 유도하는 것, 및 SCR 시스템을 사용하여 냉각된 배기 가스 내의 질소산화물들(NOx)의 레벨을 감소시키는 것을 포함한다.In a third embodiment, a method of treating exhaust gas in a simple-cycle gas turbine system comprises: flowing an exhaust stream from a gas turbine engine into a transition section of the exhaust treatment system; injecting cooling air into a flow of exhaust stream in the transition section using an air injection system comprising a plurality of air injection tubes capable of injecting the cooling air; and swirling the exhaust stream, or cooling air, or both, within a transition section of the exhaust treatment system, using a mixing system having an arrayed population of mixing modules. each mixing module of the array population of mixing modules comprises a plurality of turbulence generators capable of swirling the exhaust stream, cooling air, or both, in a first direction, a second direction, or both; and swirling the exhaust gas, air, or both mixes the exhaust stream and cooling air inside the exhaust treatment system to produce cooled exhaust gas and facilitates heat transfer between the exhaust stream and the cooling air . The method also includes directing the cooled exhaust gas to a selective catalytic reduction (SCR) system, and using the SCR system to reduce the level of nitrogen oxides (NO x ) in the cooled exhaust gas.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들, 양태들, 및 이점들이, 동일한 부호들이 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 지시하는 첨부 도면을 참조하여 뒤따르는 상세한 설명이 읽힐 때, 더욱 잘 이해될 것이다:
도 1은, 본 개시의 실시예에 따른, 배기 처리 시스템 내부에서 배기 가스를 냉각 공기와 혼합하도록 구성되는 혼합 시스템을 포함하는 가스 터빈 시스템의 블록도이고;
도 2는, 본 개시의 실시예에 따른, 난류 발생기들을 구비하는 복수의 혼합 모듈로서, 배기 처리 시스템의 전이 덕트 및 배기 덕트 내부에 배치되는 것인, 복수의 혼합 모듈을 구비하는 도 1의 배기 처리 시스템의 단면도이며;
도 3은, 본 개시의 실시예에 따른, 혼합 모듈 상에 수직 및 수평 양자 모두로 정렬되는 난류 발생기들을 구비하는, 도 2의 혼합 모듈의 입면도이고;
도 4는, 본 개시의 실시예에 따른, 혼합 모듈 상에 엇갈림식 배열 형태로 배열되는 난류 발생기들을 구비하는, 도 2의 혼합 모듈의 정면도이며;
도 5는, 본 개시의 실시예에 따른, 각각 상이한 배열 형태의 난류 발생기들을 구비하는, 복수의 혼합 모듈을 구비하는 도 2의 배기 처리 시스템의 단면도이고;
도 6은, 본 개시의 실시예에 따른, 도 3 및 도 4의 혼합 모듈의 난류 발생기로서, 배기 처리 시스템의 종방향 축에 실질적으로 평행하게 지향되는 축을 중심으로 회전하는 핀들을 포함하는 것인, 난류 발생기의 사시도이며;
도 7은, 본 개시의 실시예에 따른, 도 2 및 도 5의 혼합 모듈의 난류 발생기로서, 복수의 반경 방향으로 연장되는 열들 내에 배열되는 주름진 금속 패킹 플레이트들을 포함하는 것인, 난류 발생기의 정면도이고;
도 8은, 본 개시의 실시예에 따른, 도 2 및 도 5의 혼합 모듈의 난류 발생기로서, 단일 반경 방향으로 연장되는 열들 내에 배열되는 주름진 금속 패킹 플레이트들을 포함하는 것인, 난류 발생기의 정면도이며;
도 9는, 본 개시의 실시예에 따른, 도 7 및 도 8의 주름진 금속 패킹 플레이트들과 함께 사용될 수 있는 비-천공 금속 플레이트의 측면도이고;
도 10은, 본 개시의 실시예에 따른, 도 7 및 도 8의 주름진 금속 패킹 플레이트들과 함께 사용될 수 있는 천공 금속 플레이트의 측면도이며; 그리고
도 11은, 본 개시의 실시예에 따른, 상이한 각도들로 지향되는 구멍들을 구비하는, 11-11 선을 따라 취해진 천공 금속 플레이트의 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other features, aspects, and advantages of the present invention will be better understood when the detailed description that follows is read with reference to the accompanying drawings in which like numbers indicate like parts throughout:
1 is a block diagram of a gas turbine system including a mixing system configured to mix exhaust gas with cooling air within an exhaust treatment system, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
FIG. 2 is the exhaust of FIG. 1 with a plurality of mixing modules having a plurality of mixing modules having turbulence generators, wherein the plurality of mixing modules are disposed within a transition duct and an exhaust duct of an exhaust treatment system, in accordance with an embodiment of the present disclosure; A cross-sectional view of the processing system;
3 is an elevation view of the mixing module of FIG. 2 with turbulence generators aligned both vertically and horizontally on the mixing module, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
4 is a front view of the mixing module of FIG. 2 with turbulence generators arranged in a staggered arrangement on the mixing module, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
FIG. 5 is a cross-sectional view of the exhaust treatment system of FIG. 2 having a plurality of mixing modules, each having turbulence generators in a different arrangement, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
6 is a turbulence generator of the mixing module of FIGS. 3 and 4 , in accordance with an embodiment of the present disclosure, comprising fins rotating about an axis oriented substantially parallel to a longitudinal axis of the exhaust treatment system; , a perspective view of the turbulence generator;
7 is a front view of the turbulence generator of the mixing module of FIGS. 2 and 5 comprising corrugated metal packing plates arranged in a plurality of radially extending rows, in accordance with an embodiment of the present disclosure; ego;
8 is a front view of the turbulence generator of the mixing module of FIGS. 2 and 5 comprising corrugated metal packing plates arranged in a single radially extending row, in accordance with an embodiment of the present disclosure; ;
9 is a side view of a non-perforated metal plate that may be used with the corrugated metal packing plates of FIGS. 7 and 8 , in accordance with an embodiment of the present disclosure;
10 is a side view of a perforated metal plate that may be used with the corrugated metal packing plates of FIGS. 7 and 8 , in accordance with an embodiment of the present disclosure; and
11 is a cross-sectional view of a perforated metal plate taken along line 11-11 with holes oriented at different angles, in accordance with an embodiment of the present disclosure.
본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예들이 이하에 설명될 것이다. 이러한 실시예들에 대한 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현의 모든 특징들이 명세서에서 설명되지 않을 수 있을 것이다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같은, 임의의 그러한 실제 구현의 전개에서, 구현마다 변화할 수 있는, 시스템 관련 및 영업 관련 제약들에 대한 순응과 같은, 수많은 구현 특정 결정들이, 개발자들의 특정 목표들을 달성하기 위해 이루어져야만 한다는 것이 인식되어야 한다. 더불어, 그러한 개발 노력이, 복잡하고 시간을 소모할 수 있지만, 그럼에도 본 개시의 이익을 갖는 당업자들의 설계, 제작 및 제조에 대한 일상적 업무라는 것이, 인식되어야 한다.One or more specific embodiments of the present invention will be described below. In an effort to provide a concise description of these embodiments, all features of an actual implementation may not be described in the specification. In the deployment of any such actual implementation, such as in any engineering or design project, a number of implementation specific decisions, such as compliance with system-related and business-related constraints, which may vary from implementation to implementation, are necessary to meet the specific goals of the developers. It should be recognized that it has to be done to achieve it. In addition, it should be appreciated that such development efforts, although complex and time consuming, are the routine tasks of design, fabrication, and manufacture of those of ordinary skill in the art having the benefit of this disclosure nonetheless.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 소개할 때, 부정관사, 정관사 및 "상기"는, 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다. 용어들 "포함하는", "구비하는", 및 "갖는"은, 포괄적이도록 그리고, 열거된 요소들과 상이한 부가적 요소들이 존재할 수 있다는 것을 의미하도록, 의도된다. When introducing elements of various embodiments of the invention, the indefinite article, the definite article and “the” are intended to mean that there is more than one element present. The terms “comprising”, “comprising”, and “having” are intended to be inclusive and to mean that there may be additional elements that differ from the listed elements.
여기에 개시되는 실시예들은 일반적으로, 배기 가스 유동을 냉각하기 위한 또는 완화하기 위한 기법들에 관한 것이다. 예를 들어, 가스 터빈 시스템들 내에서, 하나 이상의 가스 터빈 엔진이, 하나 이상의 터빈 블레이드를 구동하기 위한 연소 가스를 생성하기 위해 연료를 연소시킬 수 있을 것이다. 연소되는 연료의 유형에 의존하여, 연소 프로세스로부터 생성되는 배출물들(예를 들어, 배기 가스들)이, 질소산화물들(NOx), 황산화물들(SOx), 탄소산화물들(COx), 및 미연 탄화수소들을 포함할 수 있을 것이다. 흔히, 배기 가스들이 가스 터빈 발전소와 같은 가스 터빈 시스템을 나오기 이전에, 또한 가스 터빈 시스템의 효과적인 작동을 유지하는 가운데, 이러한 성분들의 레벨을 감소시키는 것이 바람직할 것이다. Embodiments disclosed herein generally relate to techniques for cooling or mitigating exhaust gas flow. For example, within gas turbine systems, one or more gas turbine engines may combust fuel to produce combustion gases for driving one or more turbine blades. Depending on the type of fuel being combusted, the emissions (eg, exhaust gases) produced from the combustion process include nitrogen oxides (NO x ), sulfur oxides (SO x ), carbon oxides (CO x ) , and unburned hydrocarbons. Often, it will be desirable to reduce the level of these components before the exhaust gases exit a gas turbine system, such as a gas turbine power plant, and while maintaining effective operation of the gas turbine system.
배기 가스 흐름 내에서 NOx를 제거하거나 또는 NOx의 양을 감소시키기 위한 하나의 기법이, 선택적 촉매 환원(SCR)에 의한 것이다. SCR 프로세스에서, 암모니아(NH3)와 같은 시약이, 배기 가스 흐름 내로 분사되며 그리고, 배기 가스 내에서 그리고 질소(N2) 및 물(H2O)을 생성하기 위한 촉매의 존재 상태에서 NOx와 반응한다. SCR 프로세스의 효율성은, 적어도 부분적으로 처리되는 배기 가스의 온도에 의존하며, 온도는 SCR 시스템에 의해 사용되는 특정 촉매에 의존할 수 있을 것이다. 예를 들어, NOx를 제거하기 위한 SCR 프로세스는, 대략 화씨 500 내지 900도(℉)의 온도에서 특히 효과적일 수 있을 것이다. 따라서, 터빈 엔진으로부터의 배기 가스 출력이 SCR을 위한 효과적인 온도 범위보다 더 높은 경우, SCR 프로세스(예를 들어, NOx의 제거)의 효율성을 증가시키기 위해 SCR 이전에 배기 가스들을 냉각시키는 것이 유익할 수 있을 것이다.One technique for reducing the amount of removal of NO x or NO x in the exhaust gas stream is by selective catalytic reduction (SCR). In the SCR process, a reagent such as ammonia (NH 3 ) is injected into the exhaust gas stream and NO x in the exhaust gas and in the presence of a catalyst to produce nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). react with The effectiveness of the SCR process depends, at least in part, on the temperature of the exhaust gas being treated, which temperature may depend on the particular catalyst used by the SCR system. For example, an SCR process to remove NO x may be particularly effective at temperatures on the order of 500 to 900 degrees Fahrenheit. Thus, if the exhaust gas output from the turbine engine is higher than the effective temperature range for SCR, it would be beneficial to cool the exhaust gases prior to SCR to increase the efficiency of the SCR process (eg, removal of NO x ). will be able
본 개시의 실시예들에 따르면, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템과 같은, 가스 터빈 시스템은, 배기 가스 흐름 내로 냉각 공기(예를 들어, 공기)를 분사하도록 구성되는 공기 분사 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 부가적으로, 가스 터빈 시스템은, 냉각 유체와 배기 가스의 혼합을 용이하게 하는 복수의 난류 발생기를 포함하는, 혼합 모듈을 구비하는 혼합 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 아래에 더 설명될 것으로서, 혼합 시스템은, 공기 분사 시스템의 (즉, 배기 가스들의 유동에 대해) 하류에, 그러나 SCR 시스템의 상류에, 배치될 수 있을 것이다. 혼합 시스템의 난류 발생기들은, 냉각 유체와 배기 가스의 균일한 혼합을 촉진하기 위해, 냉각 유체, 배기 가스, 또는 양자 모두의 유동 내에 소용돌이를 생성하는, 소용돌이 구조물들을 포함할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 가스 터빈 시스템은 혼합 모듈들의 배열 집단을 포함할 수 있을 것이다. 배열 집단 내의 각각의 혼합 모듈은, 동일한 또는 상이한 소용돌이 패턴을 생성할 수 있을 것이다. 이러한 현재 개시되는 기법들에 따르면, 혼합 시스템은, SCR 시스템에 의해 수용되는 냉각된 배기 가스(예를 들어, 냉각 유체와 배기 가스의 혼합물)의 온도 분포 및/또는 속도 분포의 개선된 균일성을 제공할 수 있을 것이다. 또한, 현재 개시되는 기법들이 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템들에서 특히 유용할 수 있지만, 이하에 논의될 것으로서, 본 기법이, 예를 들어, 복합 사이클 가스 터빈 시스템들을 포함하는, 임의의 적당하게 구성된 시스템 내에 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.According to embodiments of the present disclosure, a gas turbine system, such as a simple-cycle large gas turbine system, may include an air injection system configured to inject cooling air (eg, air) into an exhaust gas stream. will be. Additionally, the gas turbine system may include a mixing system having a mixing module, including a plurality of turbulence generators that facilitate mixing of the cooling fluid and exhaust gas. As will be described further below, the mixing system may be disposed downstream (ie with respect to the flow of exhaust gases) of the air injection system, but upstream of the SCR system. The turbulence generators of the mixing system may include vortex structures that create a vortex in the flow of the cooling fluid, the exhaust gas, or both, to promote uniform mixing of the cooling fluid and the exhaust gas. In certain embodiments, a gas turbine system may include an arrayed population of mixing modules. Each mixing module in the array population may produce the same or a different vortex pattern. According to these presently disclosed techniques, the mixing system provides improved uniformity of the temperature distribution and/or velocity distribution of the cooled exhaust gas (eg, a mixture of cooling fluid and exhaust gas) received by the SCR system. will be able to provide Also, although the presently disclosed techniques may be particularly useful in simple-cycle large gas turbine systems, as will be discussed below, the technique may be of any suitably configured, including, for example, combined cycle gas turbine systems. It should be understood that it may be implemented within a system.
상기한 바를 염두에 두고, 도 1은, 가스 터빈 엔진(12) 및 배기 처리 시스템(14)을 포함하는 예시적 터빈 시스템(10)의 개략도이다. 특정 실시예에서, 터빈 시스템(10)은, 발전 시스템의 전부 또는 일부일 수 있을 것이다. 가스 터빈 시스템(10)은, 가스 터빈 시스템(10)을 구동하기 위한, 천연 가스 및/또는 수소-풍부 합성 가스와 같은, 액체 또는 기체 연료를 사용할 수 있을 것이다. With the foregoing in mind, FIG. 1 is a schematic diagram of an
도시된 바와 같이, 가스 터빈 엔진(12)은, 공기 흡입 섹션(16), 압축기(18), 연소기 섹션(20), 및 터빈(22)을 포함한다. 터빈(22)은, 샤프트(24)를 통해 압축기(18)와 동력적으로 결합될 수 있을 것이다. 작동 시, 공기가 공기 흡입 섹션(16)을 통해 터빈 엔진(12)에 들어가며(화살표(26)에 의해 지시됨) 및 압축기(18) 내에서 가압된다. 공기(26)는, (예를 들어, 이에 국한되는 것은 아니지만 대기를 포함하는) 하나 이상의 공기 공급원(28)에 의해 제공될 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 공기(26)는, 압축기(18)와 공기 공급원(28) 사이에 배치되는 필터 및/또는 소음기를 통해 유동할 수 있을 것이다. 압축기(18)는, 샤프트(24)에 결합되는 복수의 압축기 스테이지를 포함할 수 있을 것이다. 압축기(18)의 각각의 스테이지는, 복수의 압축기 블레이드를 갖는 휠을 포함한다. 샤프트(24)의 회전은, 압축기 블레이드들의 회전을 야기하고, 이는, 압축기(18) 내로 공기를 끌어들이며 그리고 연소기 섹션(20) 내로의 진입 이전에 압축 공기(30)를 생성하기 위해 공기(26)를 압축한다. As shown, the
연소기 섹션(20)은, 하나 이상의 연소기를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 복수의 연소기가, 샤프트(24)를 중심으로 대략 원형의 또는 환형의 배치 형태로 복수의 둘레 방향 위치들에 배치될 수 있을 것이다. 압축 공기(30)가 압축기(18)로부터 나오며 그리고 연소기 섹션(20)에 진입함에 따라, 압축 공기(30)는, 연소기 내부에서의 연소를 위해 연료(32)와 혼합될 수 있을 것이다. 예를 들어, 연소기는, 최적의 연소, 배출물, 연료 소비, 출력 등을 위한 적당한 비율로 연소기 내로 연료-공기 혼합물을 분사할 수 있는 하나 이상의 연료 노즐을 포함할 수 있을 것이다. 공기(30)와 연료(32)의 연소는, 고온 가압 배기 가스(36)(예를 들어, 연소 가스)를 생성할 수 있으며, 배기 가스는 이어서, 터빈(22) 내부에서 하나 이상의 터빈 블레이드를 구동하기 위해 활용될 수 있을 것이다. 작동 시, 터빈(22) 내로 그리고 그를 통해 유동하는 연소 가스는, 터빈 블레이드들에 대항하여 그리고 터빈 블레이드들 사이로 유동하고, 그로 인해, 발전소 내의 발전기와 같은 부하를 구동하기 위해, 터빈 블레이드들 및 그에 따라 샤프트(24)를 회전 구동하도록 한다. 이상에서 논의된 바와 같이, 샤프트(24)의 회전은 또한, 압축기(18) 내부의 블레이드들이 흡입 섹션(16)에 의해 수용되는 공기를 끌어들이도록 그리고 가압하도록 야기한다.The
터빈(22)을 통해 유동하는 연소 가스는, 배기 가스의 흐름(42)으로서, 터빈(22)의 하류측 단부(40)를 빠져 나갈 것이다. 배기 가스 흐름(42)은, 배기 처리 시스템(14)을 향해 하류 방향으로 계속 유동할 것이다. 예를 들어, 터빈(22)의 하류측 단부(40)는, 배기 처리 시스템(14)에, 특히 전이 덕트(50)에, 유동적으로 결합될 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 배기 처리 시스템(14)은, 전이 덕트(50)의 상류에 배기 확산기를 포함할 수 있을 것이다. Combustion gases flowing through the
이상에서 논의된 바와 같이, 연소 프로세스의 결과로서, 배기 가스 흐름(42)은, 질소산화물들(NOx), 황산화물들(SOx), 탄소산화물들(COx), 및 미연 탄화수소들과 같은 특정 부산물들을 포함할 수 있을 것이다. 배기 처리 시스템(14)은, 배기 가스 흐름이 시스템(10)을 빠져 나오기 이전에 그러한 부산물들의 농도를 감소시키기 위해 또는 실질적으로 최소화하기 위해 채택될 수 있을 것이다. 이상에 언급된 바와 같이, 배기 가스 흐름 내에서 NOx를 제거하거나 또는 NOx의 양을 감소시키기 위한 하나의 기법이, 선택적 촉매 환원(SCR) 프로세스를 사용함에 의한 것이다. 예를 들어, 배기 가스 흐름(42)으로부터 NOx를 제거하기 위한 SCR 프로세스에서, 암모니아(NH3)가, 배기 가스 흐름 내로 분사되며 그리고, 질소(N2) 및 물(H2O)을 생성하기 위한 촉매의 존재 상태에서 NOx와 반응한다. As discussed above, as a result of the combustion process, the
이러한 SCR 프로세스의 효율성은, 적어도 부분적으로, 처리되는 배기 가스의 온도에 의존할 수 있을 것이다. 예를 들어, NOx를 제거하기 위한 SCR 프로세스는, 대략 화씨 500 내지 900도(℉)의 온도에서 특히 효과적일 수 있을 것이다. 그러나, 특정 실시예에서, 터빈(22)을 빠져 나와 전이 덕트(50)에 들어가는 배기 가스 흐름(42)은, 대략 1000 내지 1500 ℉, 또는 더욱 구체적으로 1100 내지 1200 ℉의 온도를 가질 수 있을 것이다. 따라서, NOx 제거를 위한 SCR 프로세스의 효율성을 증가시키기 위해, 배기 처리 시스템(14)은, 배기 가스 흐름(42) 내로 냉각 공기를 분사하도록 구성되어, 그로 인해 SCR 이전에 배기 가스 흐름(42)을 냉각시키도록 하는, 공기 분사 시스템(54)을 포함할 수 있을 것이다. 효과적인 온도들이 가스 흐름(42)으로부터 제거되는 요소 및/또는 채택되는 촉매에 의존하여 변할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.The effectiveness of such an SCR process may depend, at least in part, on the temperature of the exhaust gas being treated. For example, an SCR process to remove NO x may be particularly effective at temperatures on the order of 500 to 900 degrees Fahrenheit. However, in certain embodiments, the
도 1에 도시된 바와 같이, 공기 분사 시스템(54)은, 전이 덕트(50) 내부에 배치될 수 있을 것이다. 공기 분사 시스템(54)은, 하나 이상의 공기 공급원(28)에 의해 제공되는 냉각 공기(58)를 배기 가스 흐름(42)과의 혼합을 위해 전이 덕트(50) 내로 분사하도록 구성되는, 복수의 공기 분사 구멍을 구비하는 복수의 공기 분사 튜브(56)를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 공기 공급원(28)은, 하나 이상의 공기 송풍기들, 압축기들(예를 들어, 압축기(18)), 열 교환기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 용어 "냉각"은, 공기 유동(58)을 설명하기 위해 사용될 때, 공기(58)가 터빈(22)을 빠져 나오는 배기 가스 흐름(42)과 비교하여 더 차갑다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 공기 공급원(28)에 의해 공급되는 냉각 공기(58)는, 대기일 수 있으며, 또는 열 교환기 또는 다른 유형의 적당한 냉각 메커니즘을 사용하여 추가로 냉각될 수 있을 것이다. 공기 분사 시스템(54)은 또한, 냉각 공기(58)의 유동을 조정하기 위한 밸브들을 포함할 수 있을 것이다. 단지 예로서, 일 실시예에서, 터빈(22)으로부터 배출되는 배기 가스 흐름(42)은, 대략 1000 파운드/초 의 속도로 전이 덕트(50) 내로 유동할 수 있으며, 그리고 냉각 공기(58)는, 대략 500 파운드/초 의 속도로, (공기 분사 시스템(54)을 통해) 전이 덕트(50) 내로 분사될 수 있을 것이다. 그러나, 배기 가스 흐름(42)의 유량 및 냉각 공기(58)의 유량이 변할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 냉각 공기(58)는, 냉각된 배기 가스 흐름(60)을 생성하기 위해, 배기 가스 흐름(42)과 혼합된다. 이상에서 논의된 바와 같이, 냉각된 배기 가스(60)는, 대략 화씨 500 내지 900도(℉)의 온도를, 즉 SCR 프로세스에서 NOx 제거를 증가시키기에 또는 실질적으로 최대화하기에 적당한 온도를, 가질 수 있을 것이다. 이하에 추가로 논의될 것으로서, 배기 처리 시스템(14)은, 하류의 SCR 처리 프로세스 이전에 냉각된 배기 가스(60) 내의 균일한 온도 분포를 달성하기 위해, 배기 가스 흐름(42)과 냉각 공기(58)의 혼합을 용이하게 하도록 구성되는, 배기 가스 흐름(42, 60)의 유동 경로를 따르는, 혼합 시스템들(64, 68)을 포함한다.As shown in FIG. 1 , an
도 1을 계속 참조하면, 냉각된 배기 가스 흐름(60)은, 배기 가스 흐름(60)이, 냉각된 배기 가스 흐름(60) 내로 환원제(74)(예를 들어, 암모니아(NH3))를 분사하도록 구성되는 분사 시스템(72)을 통과할 수 있는 곳인, 배기 덕트(70) 내로 하류로 (예를 들어, 방향(46)으로) 유동을 계속할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 분사 시스템(72)은, 냉각된 배기 가스 흐름(60) 내로 환원제(74)를 분사하기 위한 개구들을 갖는, 파이프들의 네트워크를 포함할 수 있을 것이다. 환원제(74)는, 분사 시스템(72) 내로 유동하기 이전에, 증발기(76) 내에서 기화될 수 있을 것이다. With continued reference to FIG. 1 , the cooled
분사 시스템(72)의 하류에서, SCR 시스템(80)이, 벌집형 또는 플레이트형 배치 형태와 같은, 임의의 적당한 기하 형상을 구비하는 지지된 촉매 시스템을 포함할 수 있을 것이다. SCR 시스템(80) 내부에서, 환원제(74)는, 질소(N2) 및 물(H2O)을 생성하기 위해 냉각된 배기 가스(60) 내의 NOx와 반응하여, 그에 따라, 유동 화살표(86)에 의해 지시되는 바와 같이, 굴뚝(84)을 통해 가스 터빈 시스템(10)을 빠져 나오기 이전에, 냉각된 배기 가스(60)로부터 NOx를 제거하도록 한다. 굴뚝(84)은, 일부 실시예에서, 소음기 또는 머플러를 포함할 수 있을 것이다. 비-제한적인 예로서, 배기 처리 시스템(14)은, 처리된 배기 가스 흐름(86) 내의 NOx의 성분을 대략 3 ppm 이하로 감소시키기 위해, 공기 분사 시스템(54), 혼합 시스템들(64, 68), 및 SCR 시스템(80)을 활용할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 무화된 물이 냉각 공기(58)와 혼합될 수 있으며, 그리고 물-공기 혼합물은, 배기 가스 온도를 낮추기 위해 전이 덕트(50) 내로 분사될 수 있을 것이다.Downstream of the
본 개시가 배기 가스 흐름(42, 60)으로부터 NOx의 처리 및 제거에 관련되는 여러 실시예를 설명하지만, 특정 실시예들이, 일산화탄소 또는 미연 탄화수소와 같은 다른 연소 부산물들의 제거를 제공할 수 있을 것이다. 그에 따라, 공급되는 촉매는, 배기 가스 흐름(42, 60)으로부터 제거되고 있는 성분에 의존하여 변경될 수 있을 것이다. 부가적으로, 여기에서 설명되는 실시예들은 하나의 SCR 시스템(80)의 사용으로 제한되지 않는 대신, 또한 복수의 SCR 시스템(80), 복수의 촉매 시스템, 등을 포함할 수 있을 것이다. Although this disclosure describes several embodiments that relate to the treatment and removal of NO x from exhaust gas streams 42 , 60 , certain embodiments may provide for the removal of other combustion by-products, such as carbon monoxide or unburned hydrocarbons. . Accordingly, the catalyst supplied may vary depending on the component being removed from the
시스템(10)으로부터의 배출물의 제어를 제공하기 위해, 시스템(10)은 또한, 굴뚝(84)을 빠져 나오는 처리된 배기 흐름(86)의 성분을 연속적으로 모니터링하는, 연속적 배출물 모니터링(continuous emissions monitoring: CEM) 시스템(90)을 포함할 수 있을 것이다. CEM 시스템(90)이, 처리된 배기 흐름(86)의 성분이 사전 결정된 세트의 파라미터들(예를 들어, 온도, 압력, 특정 연소 생성물들의 농도) 내부에 속하지 않는다는 것을 검출하면, CEM 시스템(90)은, 시스템(10)에 의해 생성되는 처리된 배기 흐름(86)이 규제 요건에 합치한다고 결정될 수 있을 때까지, 작동 파라미터들을 조절하도록, 서비스를 실행하도록, 또는 그렇지 않으면 시스템 작동을 중단시키도록 하기 위해, 시스템(10)의 운영자들에게 알리는 것과 같은, 추가적인 조치를 착수하게 할 직무를 담당할 수 있는, 적절한 규제 기관(예를 들어, 환경 보호 단체)에 통지를 제공할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, CEM 시스템(90)은 또한, 가스 터빈 화염 온도, 냉각 공기(58)의 유량, 덕트(50) 내로 분사되는 환원제(74)의 양 등을 조절하는 것과 같은, 구체적으로 배기 처리 시스템(14)에 관련되는 시정 조치를 실행할 수 있을 것이다.To provide control of emissions from
지금부터 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른, 배기 처리 시스템(14)의 부분적 단면도가 도시된다. 배기 처리 시스템(14)의 다양한 양태들이, 가스 터빈 엔진 및 배기 덕트(70)에 대한 축 방향 또는 축(94), 반경 방향 또는 축(96), 및 둘레 방향 또는 축(98)을 참조하여 설명될 수 있을 것이다. 예를 들어, 축(94)은, 가스 터빈 엔진의 종방향 축(100) 또는 길이 방향에 대응하고, 축(96)은, 종방향 축(100)에 대한 직교 방향 또는 반경 방향에 대응하며, 그리고 축(98)은 축 방향 축(94)(예를 들어, 종방향 축(100))을 중심으로 하는 둘레 방향에 대응한다. 전이 덕트(50)의 상류측 단부(104)가, 배기 가스 흐름(42)을 수용하기 위해 전이 덕트(50)를 터빈(22)에 유동적으로 결합하는, 개구(106)를 포함할 수 있을 것이다. 도 2는, 개별적으로 전이 덕트(50) 및 배기 덕트(70) 내부에 배치되는 혼합 시스템들(64, 68)의 실시예를 부가적으로 도시한다. 혼합 시스템들(64, 68)은, 배기 처리 시스템(14)의 제1 벽(116)과 제2 벽(118) 사이에 반경 방향(96)으로 그리고 종방향 축(100)을 중심으로 둘레 방향(98)으로 배열되는, 복수의 난류 발생기(110, 112)를 포함할 수 있을 것이다. 벽들(116, 118)은, 배기 가스 흐름(42) 및 냉각 유체(58)가 그를 통해 전이 섹션(50)으로부터 배기 덕트(70)로 유동하는, 통로(120)를 한정한다. Referring now to FIG. 2 , a partial cross-sectional view of an
혼합 시스템들(64, 68)은, 인접한 난류 발생기(110, 112)에 대해 엇갈림식 배열 형태 및/또는 직렬로 배열되는 난류 발생기들(110, 112)을 포함하는 하나 이상의 혼합 모듈(124)을 포함할 수 있을 것이다. 배기 가스(42) 및 냉각 공기(58)가 혼합 모듈들(124)을 통해 유동함에 따라, 배기 가스(42)와 냉각 공기(58)의 유동이, 화살표(125)에 의해 도시되는 바와 같이 층류로부터, 화살표(127)에 의해 도시되는 바와 같이 난류로 전이될 수 있을 것이다. 배기 가스(42) 및 냉각 공기(58)의 난류(127)는, 배기 가스(42)와 냉각 공기(58)의 균일한 혼합을 촉진할 수 있을 것이다.Mixing
특정 실시예에서, 혼합 시스템(64)은, 복수의 혼합 모듈(124)을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 2로 돌아가서, 도시된 혼합 시스템(64)은, 종방향 축(100)을 따르는 상이한 위치들의 스테이지들 내에 배열되는 모듈들(124)의 배열 집단을 포함할 수 있을 것이다. 도시된 실시예에서, 3개의 혼합 모듈(124)(예를 들어, 3개의 혼합 스테이지)이 도시된다. 그러나, 혼합 시스템(64)은, 임의의 적당한 개수의 혼합 모듈(124)을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 혼합 시스템(64)은, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 또는 100개의 혼합 모듈(124)을 포함할 수 있을 것이다. In certain embodiments, the mixing
전이 덕트(50)는 일반적으로, 하류 방향(46)으로 팽창된다. 비-제한적인 예로서, 전이 덕트(50)의 상류측 단부(104)는 치수(142)를 구비하며 그리고 전이 덕트(50)의 반대편 하류측 단부(146)는, 상류측 단부(104)의 치수(142)보다 대략 10% 내지 대략 75% 사이에서 더 클 수 있는, 치수(148)를 구비할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 배기 가스(42) 및 냉각 공기(58)의 유동 경로의 크기에 관한 증가를 설명하기 위해, 각각의 혼합 모듈(124)은 상이한 치수(150)를 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 각 모듈(124)의 치수(150)는, 전이 덕트(50)의 팽창 구성에 합치하도록 하류 방향(46)으로 증가할 수 있을 것이다. 말하자면, 상류측 단부(104)에 가장 가까운 혼합 모듈(124)의 치수(150)는, 하류측 단부(146)에 가장 가까운 혼합 모듈(124)의 치수(150)보다 작을 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 각 혼합 모듈(124)의 치수(150)는, 예를 들어, 전이 덕트(50)의 치수들(142, 148)이 동일하거나 또는 혼합 모듈들(124)이 벽(116)까지 연장되지 않는 실시예에서, 동일할 수 있을 것이다.
혼합 모듈들(124)의 배열 집단은, 각 모듈(124)이 공기 분사 시스템(54)의 공기 분사 튜브(56)에 인접하게 배치되도록 배열될 수 있을 것이다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 공기 분사 튜브들(56)은, 종방향 축(100)을 따라 점진적으로 상이한 수직 및 수평 위치에 배열될 수 있을 것이다. 각각의 공기 분사 튜브(56)는, 무엇보다도, 전이 덕트(50)의 크기, 전이 덕트(50) 내부의 혼합 구역의 요구되는 개수, 혼합 모듈들(124)의 크기 와 같은, 다양한 인자에 의존하는 치수(156)만큼, 인접한 공기 분사 튜브(56)로부터 이격될 수 있을 것이다. 그에 따라, 혼합 모듈들(124) 중의 하나가, 각각의 공기 분사 튜브(56) 사이의 공간 내에 배치될 수 있을 것이다. 각 공기 분사 튜브(56) 사이에 배열 집단의 각 혼합 모듈(124)을 배치함에 의해, 혼합 모듈들(124)은, 배기 가스 흐름(42)과 냉각 공기(58) 사이의 혼합을 개선하여, 냉각된 배기 가스(60)의 균일한 온도 분포를 야기할 수 있도록 한다. 말하자면, 혼합 모듈들(124) 및 공기 분사 튜브들(56)은, 전이 덕트(50) 내부에 분사 및 혼합 스테이지들을 형성하기 위해 서로 사이사이에 놓일 수 있을 것이다.The array of mixing
예를 들어, 배기 가스 및 냉각 공기 혼합물의 유동 특성은, 혼합물이 하류 방향(46)으로 유동함에 따라 각 혼합 모듈(124)에 의해 반복적으로 변경될 수 있을 것이다. 혼합물의 유동 특성의 반복적인 변경은, 혼합물 내부에서 난류를 촉진하며, 그로 인해 배기 가스 흐름(42)과 냉각된 공기(60)의 균일한 분포를 촉진하도록 그리고 전이 덕트(50) 내부의 배기 가스(42)를 냉각시키도록 한다. 그에 따라, 냉각된 배기 가스(60)는, 효과적인 SCR 처리를 위한 요구되는 온도까지 충분히 냉각될 수 있으며, 그리고 균일한 온도 분포를 또한 구비할 수 있을 것이다. 냉각된 배기 가스(60)의 균일한 온도 분포는, 연소 부산물들(예를 들어, NOx)의 제거를 위한 SCR 프로세스의 효율성을 증가시킬 수 있을 것이다. For example, the flow characteristics of the exhaust gas and cooling air mixture may be iteratively changed by each mixing
이상에서 논의된 바와 같이, SCR 프로세스는, 적어도 부분적으로, 배기 가스의 온도에 의존할 수 있을 것이다. 전이 덕트(50) 내에서의 배기 가스의 냉각 도중에, 냉각 공기(58)는, 배기 가스 흐름 내부에 균일하게 분포되지 않을 수 있을 것이다. 배기 가스와 냉각 공기의 비-균일 혼합은, 냉각된 배기 가스 내부에 고온 배기 가스의 국부적인 구역들(예를 들어, 고온 지점들)을 생성할 수 있을 것이다. 이러한 고온 배기 가스의 국부적인 구역들은, SCR 프로세스를 위한 적당한 온도에 놓이지 않을 수 있으며, 그로 인해 SCR 프로세스의 효율성을 감소시키도록 할 수 있을 것이다. 그러나, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 또는 양자 모두의 유동 특성을 변경하고 분산시키기 위해 혼합 모듈들(124)을 사용함에 의해, 전이 덕트(50) 내부에서의 배기 가스 흐름(42) 및 냉각 공기(58)의 혼합 효율이, 혼합 시스템(64, 68)을 포함하지 않는 시스템들과 비교하여 개선될 수 있을 것이다.As discussed above, the SCR process may depend, at least in part, on the temperature of the exhaust gas. During cooling of the exhaust gas within the
부가적으로, 배기 가스 흐름(42) 및 냉각 공기(58)의 개선된 혼합으로 인해, 냉각된 배기 가스(60)는, 배기 가스의 효과적인 SCR 처리를 위해 적당한 균일한 온도 분포를 구비할 수 있을 것이다. Additionally, due to the improved mixing of the
도시된 실시예에서, 혼합 시스템(64)의 혼합 모듈들(124)이 공기 분사 튜브(56)와 서로 사이사이에 놓이지만, 다른 실시예에서, 혼합 모듈(124)들 모두 또는 혼합 모듈(124)들의 세트가, 공기 분사 시스템(54)의 상류에 배치될 수 있을 것이다. 예를 들어, 혼합 시스템(64)은, 개구(106)와 공기 분사 시스템(54) 사이에 (예를 들어, 공기 분사 시스템(54)의 제1 공기 분사 튜브(56)의 상류에) 배치될 수 있을 것이다. 혼합 모듈들(124)은, 배기 가스 흐름(42)이 터빈(22)을 빠져 나와서 전이 덕트(50)에 들어갈 때, 복수의 방향으로 배기 가스 흐름(42)을 소용돌이치게 할 수 있을 것이다. 배기 가스 흐름(42)의 소용돌이는, 난류를 더욱 촉진할 수 있으며 그리고 통로(120)를 통해 배기 가스 흐름(42)을 분산시킬 수 있을 것이다. 혼합 모듈들(124)은, 적어도 제1 소용돌이 방향으로, 공기, 배기 가스, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하도록 구성되는 복수의 주름진 패킹 플레이트를 포함할 수 있다. 배기 가스 흐름(42)의 이러한 분산은, 배기 처리 시스템(14) 내부에서 배기 가스 흐름(42)을 분산시킴에 의해 냉각을 용이하게 할 수 있으며, 이는 냉각 공기(58)가, 배기 가스 흐름(42)이 전이 덕트(50) 내부에 균일하게 분포되지 않는 시스템들과 비교하여, 더욱 효율적으로 배기 가스 흐름(42)을 냉각시키는 것을 허용할 수 있을 것이다.In the illustrated embodiment, the mixing
특정 실시예에서, 배기 처리 시스템(14)은, 전이 덕트(50)의 하류에 혼합 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 혼합 시스템(68)은, 배기 덕트(70) 내부에 배치된다. 혼합 시스템(68)은, 분사 시스템(72)에 인접하게 분사 시스템(72)의 상류에 배치될 수 있을 것이다. 분사 시스템(72)에 인접한 혼합 시스템(68)의 배치는, 연소 부산물들을 제거하기 위한 SCR 프로세스의 효율성을 개선할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이상에서 논의된 바와 같이, 냉각된 배기 가스(60)는, 전이 덕트(50)로부터 배기 덕트(70)로 유동하며, 배기 덕트에서 냉각된 배기 가스는 환원제(74)와 반응한다. 냉각된 배기 가스(60)가 혼합 모듈(124)로부터 멀어져 전이 덕트(50)를 통해 유동을 계속함에 따라, 냉각된 배기 가스(60)의 유동은, 난류로부터 다시 층류로 전이될 수 있을 것이다. 따라서, 분사 시스템(72)에 인접한 배기 덕트(70) 내에 혼합 시스템(68)을 포함하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 그에 따라, 혼합 시스템(68)은, 층류를 난류로 변화시킬 수 있으며 그리고 냉각된 배기 가스가 배기 덕트(70) 내로 유동할 때 냉각된 배기 가스(60)를 분산시킬 수 있고, 그로 인해 냉각된 배기 가스(60)가 환원제(74)와 균일하게 혼합되는 것을 촉진하도록 한다. 따라서, 환원제(74)와 냉각된 배기 가스(60) 내의 연소 부산물들(예를 들어, NOx) 사이의 반응이, 배기 덕트(70) 내부에 혼합 시스템(68)과 같은 혼합 시스템을 포함하지 않는 시스템들과 비교하여, 개선될 수 있을 것이다. 결과적으로, SCR 프로세스의 효율성 또한 개선될 수 있을 것이다. In certain embodiments,
예를 들어, 도 3은, 혼합 모듈(124)의 중심선 축(130)에 대해 다양한 수직 및 수평 위치들에서 모듈(124)의 치수(126)를 따라 배치되는 난류 발생기들(110, 112)을 구비하는, 혼합 시스템(64, 68)의 혼합 모듈(124)을 도시한다. 혼합 시스템(64, 68)의 중심선 축(130)은, 난류 발생기들(110, 112)의 수직 및 수평 위치가 종방향 축(100)을 중심으로 둘레 방향(98)으로 그리고 반경 방향(96)으로 분포되도록, 배기 처리 시스템(14)의 종방향 축(100)과 교차(예를 들어, 직교)할 수 있을 것이다. 모듈(124)은, 중심선 축(130)에 평행하거나 또는 교차(예를 들어, 수평과 같이 직교)하도록 지향되는 복수의 지지 빔(128)을 포함한다. 지지 빔들(128)은, 망-형 지지 구조물을 형성하기 위해 치수(126)를 따라 여러 지점들(132)에서 교차할 수 있을 것이다. 모듈(124)은, 난류 발생기들(110, 112)을 지지하기 위해 임의의 적당한 개수의 지지 빔(128)을 포함할 수 있을 것이다. 각각의 지지 빔들(128)은, 중심선(130)에 대해 수직 방향 및 수평 방향 양자 모두로 인접한 하나의 지지 빔(128)으로부터 이격될 수 있으며, 그로 인해, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 또는 양자 모두가 그를 통해 유동할 수 있는, 통로들(134)을 형성하도록 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 난류 발생기들(110, 112)은, 모듈(124)의 각각의 교차 지점들(132)에 배치될 수 있을 것이다. 그에 따라, 각 난류 발생기(110, 112)가, 인접한 지지 빔(128) 내의 다른 난류 발생기(110, 112)와 정렬될 수 있을 것이다. For example, FIG. 3 shows
다른 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 난류 발생기들(110, 112)은, 모듈(124) 상에서 엇갈림식 배열(예를 들어, 가스 터빈 엔진(12)의 반경 방향에 대해 엇갈리게 됨)을 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 제1 열(138)의 난류 발생기들(110, 112)은 중심선 축(130)을 따라 교차 지점들(132)에 배치될 수 있으며 그리고 제2 열(140)의 난류 발생기들(110, 112)은 중심선 축(130)을 따라 교차 지점들(132)로부터 치우칠 수 있을 것이다. 그에 따라, 제1 열(138) 내의 난류 발생기들(110, 112)은, 제2 열(140) 내의 난류 발생기들(110, 112)과 일직선 상에 놓이지 않을 수 있을 것이다. In another embodiment, as shown in FIG. 4 ,
이상에서 논의된 바와 같이, 전이 덕트(50) 내에 배치되는 혼합 시스템(64)은, 배기 처리 시스템(14)의 종방향 축(100)을 따라 임의의 수평 위치에 배열되는, 혼합 모듈들(124)의 배열 집단을 구비할 수 있을 것이다. 배기 덕트(70) 내에 배치되는 혼합 시스템(68) 또한, 유사한 배열 형태를 구비할 수 있을 것이다. 도 5는, 혼합 모듈들(124)의 배열 집단(170)으로서, 전이 덕트(50) 또는 배기 덕트(70) 내에 배치될 수 있는 배열 집단(170)의 실시예를 도시한다. 배열 집단(170)은, 임의의 적당한 개수의 혼합 모듈(124)을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 배열 집단(170)은, 2 내지 100 사이, 2 내지 50 사이, 2 내지 20 사이, 2 내지 10 사이, 4 내지 6 사이, 등과 같은, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 80, 또는 100개의 혼합 모듈(124)을 포함할 수 있을 것이다. 배열 집단(170) 내의 혼합 모듈들(124)은, 배열 집단(170) 내의 각 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112)이 인접한 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112)과 일직선 상에 놓이도록, 배열될 수 있을 것이다. 말하자면, 배열 집단(170)은, 난류 발생기들(110, 112)이 모듈(124) 상에서 동일한 개별적인 위치들을 구비하는, 혼합 모듈들(124)을 구비할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 배열 집단(170) 내의 각 혼합 모듈(124)은, 상이한 배열의 난류 발생기들(110, 112)을 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 혼합 모듈들(124)은, 상이한 배열의 난류 발생기들(110, 112)을 구비한다. 이러한 방식으로 난류 발생기들(110, 112)을 엇갈리게 하는 것은, 덕트들(50, 70) 내에서 층류의 구역들을 감소시키는 것을 도울 수 있을 것이다. 그에 따라, 하나의 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112)은, 인접한 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112)에 대해 엇갈림식 배열 형태를 구비한다.As discussed above, the mixing
난류 발생기들(110, 112)의 작용은, 혼합 모듈(124)의 일부분 및 난류 발생기(110, 112)의 사시도인, 도 6을 참조하여 추가로 인지될 수 있을 것이다. 도시된 실시예에서, 난류 발생기(110, 112)는, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)가 그를 통해 유동할 수 있는, 중심 링(176)(예를 들어, 고리)을 포함할 수 있을 것이다. 중심 링(176)은, 중심 링(176)으로부터 반경 방향(96)으로 멀어지게 연장되는 핀들을 포함한다. 핀들(178)은, 중심 링(176)의 둘레를 따라 둘레 방향(98)으로 이격될 수 있을 것이다. 도시된 실시예에서, 난류 발생기(110, 112)는 3개의 핀(178)을 포함한다. 그러나, 난류 발생기(110, 112)는, 임의의 개수의 핀(178)을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 난류 발생기는, 2 내지 20 사이, 2 내지 10 사이, 2 내지 6 사이, 등과 같은, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20개 또는 그 보다 많은 핀(178)을 포함할 수 있을 것이다. The operation of the
난류 발생기(110, 112)는, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)의 난류 특성을 촉진하기 위해 둘레 방향(98)으로 방향(180)(예를 들어, 시계 방향)으로 회전하도록 구성될 수 있을 것이다. 핀들(178)의 팁이, 난류 발생기(110, 112)의 회전을 용이하게 하기 위해 (예를 들어, 회전 도중에 난류 발생기들(110, 112) 상에서 항력을 감소시키기 위해) 그리고 핀들(178)의 바로 하류의 저 유동 구역들을 감소시키기 위해, 방향(180)으로 만곡될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 난류 발생기(110, 112)는, 방향(180)과 실질적으로 반대의 방향(예를 들어, 시계 반대 방향)으로 회전할 수 있을 것이다. 이러한 특정 실시예들에서, 핀들(178)의 팁은, 방향(180)과 실질적으로 반대의 방향으로 만곡될 수 있을 것이다. 부가적으로, 핀들(178)은, 대략 5도 내지 대략 75도 사이의 비틀림 각을 구비할 수 있을 것이다. The
다른 실시예에서, 난류 발생기들(110, 112)은, 주름진(예를 들어, 융기부가 형성된, 홈이 형성된) 패킹 플레이트들을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 7 및 도 8은, 개별적으로, 혼합 모듈(124) 내에 사용될 수 있는, 주름진 패킹 플레이트들(184, 186)의 정면도를 도시한다. 주름진 패킹 플레이트들(184, 186)은, 주름진 표면을 구비하는 금속 플레이트들(190)의 층들을 포함한다. 금속 플레이트들(190)은, 부분적으로, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)가 금속 플레이트들(190)의 주름진 표면들과 충돌할 때 생성되는 난류로 인해, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)의 열 전달 및 균일한 분포를 촉진할 수 있을 것이다. In another embodiment, the
금속 플레이트들(190)은, 주름진 패킹 플레이트(184)의 치수(196)의 적어도 일부분만큼 반경 방향(96)으로 연장되는 열들(194)로 배열될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 열들(194)은, 실질적으로 동일한 반경 방향(96)으로 치수(196)를 따라 반경 방향으로 연장된다. 그러나, 다른 실시예에서, 열들(194)은, 상이한 반경 방향들(96)로, 치수(196)의 일부분을 가로질러 반경 방향으로 연장될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 8에 도시되는 주름진 패킹 플레이트(186)는, 하나의 반경 방향(96)(제1 반경 방향)으로 연장되는 한 세트의 열(194) 및 상이한 반경 방향(96)(제1 반경 방향과 상이한 제2 반경 방향)으로 연장되는 다른 세트의 열(198)을 포함한다. 그에 따라, 열들(194)은, 열들(198)에 대해 경사지게 (예를 들어, 수직 또는 예각으로) 지향될 수 있을 것이다. 도 8에 도시된 각 플레이트(190)가 축(94)에 대해 상이한 각도로 지향되는 융기부들(예를 들어, 홈들)을 포함하는 가운데, 플레이트들(190)은 전체로서, 대략 하나의 방향으로 연장된다.The
열들(194, 198)은, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)가 주름진 패킹 플레이트(184)를 통해 유동하는 것을 허용하는, 각 금속 플레이트(190) 사이의 통로들(200)을 형성한다. 유체(예를 들어, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60))가 통로들(200)을 통해 유동함에 따라, 유체는, 난류 발생기(110, 112) 내부에서 유동 방향을 변화시킬 수 있으며 결과적으로 난류를 생성하는, 금속 플레이트들(190)의 주름진 표면과 충돌한다.
주름진 패킹 플레이트들(184, 186)은, 비-천공 플레이트들, 천공 플레이트들, 또는 양자 모두를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 9는, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)의 유동 특성을 변화시키기 위해, 주름진 패킹 플레이트들(184, 186) 내에 사용될 수 있는, 비-천공 금속 플레이트(204)의 측면도를 도시한다. 비-천공 금속 플레이트(204)는, 통로들(200) 내부에서 난류를 촉진하는 가운데, 주름진 패킹 플레이트들(184, 186)을 통해 유동하는 유체가 인접한 열(194, 198) 내로 유동하는 것을 차단할 수 있을 것이다. 말하자면, 도 9에 도시된 배치 형태는, 복수의 난류 구역을 생성할 수 있을 것이다.
도 10은, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 냉각된 배기 가스(60), 또는 이들의 조합의 유동 특성을 변화시키기 위해, 주름진 패킹 플레이트들(184, 186) 내에 또한 사용될 수 있는, 천공 금속 플레이트(208)의 실시예의 측면도를 도시한다. 천공 금속 플레이트(208)는, 천공 금속 플레이트(208)의 축(212)에 대해 다양한 축 방향(94) 위치 및 반경 방향(96) 위치에 분포되는 하나 이상의 구멍(210)을 포함할 수 있을 것이다. 구멍들(210)은, 천공 금속 플레이트(208)의, 개별적으로, 치수들(214, 216)의 적어도 일부분을 따라 축 방향(94)으로 그리고 반경 방향(96)으로 연장된다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 구멍들(210)은, 플레이트 상류측 단부(218)로부터 플레이트 하류측 단부(220)로 연장된다. 구멍들(210)은, 유체(예를 들어, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60))가 금속 플레이트들(190)을 따라 그리고 이들을 통해 유동할 수 있도록, 주름진 패킹 플레이트들(184, 186)의 통로들(200) 사이에서의 유체 소통을 허용할 수 있을 것이다. 이는, 유체가 혼합 시스템(64, 68)을 통해 유동할 때 유체의 균일한 혼합, 및 냉각된 배기 가스(60) 내의 균일한 온도 분포를 촉진할 수 있을 것이다. FIG. 10 may also be used in
천공 금속 플레이트(208)는 또한, 천공 부분(224) 및 비-천공 부분(226)을 포함할 수 있을 것이다. 부분들(224, 226)은 임의의 적당한 패턴으로 배열될 수 있을 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 부분들(224, 226)은, 치수(216)를 따라 반경 방향(96)으로 교대로 놓인다. 그에 따라, 각각의 천공 부분은, 비-천공 부분(226)에 인접하게 된다. 그러나, 다른 실시예에서, 복수의 천공 부분(224) 및/또는 비-천공 부분이 서로 인접할 수 있을 것이다. 부분들(224, 226)의 특정 배열 형태가, 주름진 패킹 플레이트들(184, 186) 내부에서 그리고 그의 하류에서 균일한 혼합을 가능하게 하도록 유체의 유동 특성에 바람직한 변화를 제공할 수 있을 것이다.The
특정 실시예에서, 천공 플레이트(208)의 구멍들(210)은, 축(212)을 따라 일정한 또는 가변의 치수(예를 들어, 구멍들이 환형임)를 구비할 수 있을 것이다. 직경은, 제1 플레이트 단부(218)로부터 제2 플레이트 단부(220)로 또는 그 반대로, 점진적으로 증가하거나 또는 감소할 수 있을 것이다. 구멍들(210)의 직경은 또한, 축(212)을 따라 양자 모두의 플레이트 단부(218, 220)를 향해 증가하거나 또는 감소할 수 있을 것이다. 부가적으로, 구멍들은, 축(212)에 대해 경사지게 지향될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 11은, 11-11선을 따르는 천공 금속 플레이트(208)의 일부분의 단면도를 도시한다. 도시된 실시예에서, 천공 금속 플레이트(208)의 구멍들(210)은, (축(212)에 대해 수직으로 또는 예각으로 경사진) 상이한 각도로 지향된다. 구멍들(210)의 경사진 지향은, 유체가 주름진 패킹 플레이트(184, 186)를 통해 유동할 때, 유체(예를 들어, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60))의 혼합 및 열 전달 효율을 증가시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 경사진 구멍(210)은, 유체가 천공 금속 플레이트(208)를 가로질러 인접한 통로들(200) 내로 유동하며 그리고 금속 플레이트(190)의 주름진 표면 상에 충돌할 때, 유체의 유동 방향을 변화시킬 수 있을 것이다. 유체의 유동 방향의 변화는, 유체가 주름진 표면들 상에 충돌할 때 생성되는 난류를 향상시킬 수 있으며, 그로 인해 유체의 균일한 혼합(예를 들어, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 냉각된 배기 가스(60), 및 환원제(74)의 혼합)을 허용하도록 한다. 그에 따라, 연소 부산물들(예를 들어, NOx)을 제거하기 위한 SCR 프로세스의 효율성은, 배기 처리 시스템(14) 내부에 혼합 시스템들(64, 68)을 포함하지 않는 시스템들과 비교하여, 개선될 수 있을 것이다. In certain embodiments, the
여기에 설명된 임의의 실시예들은, 바람직한 열 전달 및 유체 유동 특성을 달성하기 위해, 임의의 적당한 조합으로 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하여 이상에서 논의된 바와 같이, 혼합 모듈(124)은, 치수(126)를 따라 상이한 수직 위치 및 수평 위치에 배열되는 복수의 난류 발생기(110, 112)를 구비할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 혼합 모듈(124)의 각 난류 발생기(110, 112)는, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)의 상이한 유동 특성을 촉진할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 난류 발생기들(110, 112)은, 배기 처리 시스템(14)의 종방향 축(100)을 중심으로 회전할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 난류 발생기들(110, 112)은, 동일한 방향(예를 들어, 방향(180)(시계 방향) 또는 방향(180)과 반대의 방향(시계 반대 방향))으로 회전할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112) 중 일부는 방향(180)(예를 들어, 시계 방향)으로 회전할 수 있으며 그리고 난류 발생기들(110, 112) 중 다른 일부는 방향(180)과 실질적으로 반대의 방향(예를 들어, 시계 반대 방향)으로 회전할 수 있을 것이다. Any of the embodiments described herein may be used in any suitable combination to achieve desirable heat transfer and fluid flow properties. For example, as discussed above with reference to FIGS. 3 and 4 , mixing
유사하게, 혼합 시스템(68, 64)의 배열 집단(170)(도 5 참조) 내의 각 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112)은, 배열 집단(170) 내의 인접한 혼합 모듈(124)과 동일한 방향으로 또는 상이한 방향으로 회전할 수 있을 것이다. 예로서, 전이 덕트(50)의 상류측 단부(104)에 가장 가까운 혼합 모듈(124)은 방향(180)(예를 들어, 시계 방향)으로 회전할 수 있으며, 그리고 하류 방향(46)으로 뒤따르는 혼합 모듈(124)은 방향(180)과 실질적으로 반대의 방향(예를 들어, 시계 반대 방향)으로 회전할 수 있을 것이다. 난류 발생기들(110, 112)의 회전 방향(예를 들어, 방향(180))을 변화시키는 것은, 배기 가스 흐름(42) 및 냉각 공기(58)가 균일하게 혼합되며 그리고 배기 처리 시스템(14) 전체에 걸쳐 분포될 수 있도록, 배기 처리 시스템(14) 내부에 난류를 생성할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 냉각된 배기 가스(60) 내에서의 균일한 온도 분포가 달성될 수 있을 것이다. 더불어, 냉각 공기(58)가 혼합 시스템(64)을 사용함에 의해 배기 가스 흐름(42)과 효과적으로 혼합될 수 있기 때문에, 냉각된 배기 가스(60)는, 혼합 시스템(64)을 사용하지 않는 시스템들과 비교하여, SCR 시스템(80) 내에서 연소 부산물들(예를 들어, NOx)의 효과적인 제거를 위해 적당한 온도로 냉각될 수 있을 것이다. 부가적으로, 혼합 시스템(68) 내의 단일 혼합 모듈(124) 내부에서의 또는 배열 집단(170) 내의 혼합 모듈들(124) 사이에서의 난류 발생기들(110, 112)의 가변적 회전은, 배기 덕트(70) 내부에서 (예를 들어, 혼합 시스템(68)을 통한) 냉각된 배기 가스(60)와 환원제(74) 사이의 균일한 혼합을 허용할 수 있으며, 그로 인해, 배기 덕트(70) 내부에 혼합 모듈들(124)을 포함하지 않는 시스템들과 비교하여, SCR 프로세스를 더욱 개선할 수 있도록 한다.Similarly, the
특정 실시예에서, 혼합 모듈들(124)은, 상이한 유형의 난류 발생기들(110, 112)을 구비할 수 있을 것이다. 예를 들어, 배열 집단(170) 내의 하나의 혼합 모듈(124)은, 도 6에 도시된 회전형 난류 발생기들을 사용할 수 있으며, 그리고 배열 집단(170)의 다른 혼합 모듈(124)은, 주름진 패킹 플레이트(184, 186)를 사용할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 상이한 유형의 난류 발생기들(110, 112)이 단일 혼합 모듈(124) 내부에 놓일 수 있을 것이다. 예를 들어, 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112) 중 일부가 주름진 패킹 플레이트(184, 186)일 수 있으며 그리고 혼합 모듈(124)의 난류 발생기들(110, 112) 중 다른 일부가 회전형 난류 발생기들(예를 들어, 도 6 참조)일 수 있을 것이다. 배열 집단(170) 및/또는 각 혼합 모듈(124) 내부에 상이한 유형의 난류 발생기들(110, 112)을 구비하는 것은, 결과적으로 SCR 시스템(80)에 들어가기 이전에 냉각된 배기 가스(60)의 균일한 온도 분포를 야기하도록 하는, 배기 처리 시스템(14) 내부에서, 배기 가스 흐름(42), 냉각 공기(58), 및/또는 냉각된 배기 가스(60)를 효과적으로 분배하고 혼합하기 위한 바람직한 난류를 생성할 수 있을 것이다. In a particular embodiment, the mixing
이상에서 논의된 바와 같이, 여기에 기술되는 다양한 기법들은, 선택적 촉매 환원 프로세스의 효율성을 향상시키기 위해 배기 가스 흐름을 또한 냉각하는 가운데, 배기 가스 흐름의 온도 및/또는 속도 분포의 균일성을 향상시키기 위해 배기 가스 흐름과 냉각 공기의 혼합을 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 여기에 개시되는 기법들은, 배기 가스 흐름, 냉각 공기, 및/또는 냉각된 배기 가스의 유동 특성을 변화시키기 위한, 혼합 모듈들 및 난류 발생기 구성들의 임의의 조합을 커버할 수 있다. 배기 가스, 냉각 공기, 및/또는 냉각된 배기 가스의 유동 특성의 변화는, 가스 터빈 엔진으로부터 나오는 배기 가스 흐름의 혼합 및 냉각을 용이하게 할 수 있는, 난류를 생성할 수 있을 것이다. 혼합 시스템(64, 68)에 대한 개시된 기법들 및 구성들은, 특정 실시예들의 단지 예들인 것으로 의도되며, 그리고 어떤 식으로든 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. As discussed above, various techniques described herein can be used to improve the uniformity of the temperature and/or velocity distribution of an exhaust gas stream, while also cooling the exhaust gas stream to improve the efficiency of the selective catalytic reduction process. It may be possible to provide a mixture of exhaust gas flow and cooling air for this purpose. For example, the techniques disclosed herein may cover any combination of mixing modules and turbulence generator configurations for changing exhaust gas flow, cooling air, and/or flow characteristics of the cooled exhaust gas. Changes in the flow characteristics of the exhaust gas, cooling air, and/or cooled exhaust gas may create turbulence, which may facilitate mixing and cooling of the exhaust gas stream exiting the gas turbine engine. The disclosed techniques and configurations for the
이러한 작성된 설명은, 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 또한 당해 기술 분야의 임의의 숙련자가, 임의의 장치들 또는 시스템들을 만들고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법들을 실행하는 것을 포함하는, 본 발명을 실행하는 것을 가능하게 하기 위해, 예들을 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는, 청구항들에 의해 한정되며, 그리고 당업자들에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들은, 이들이 청구항들의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 구비하는 경우, 또는 이들이 청구항들의 문자 그대로의 언어와 실질적이지 않은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우, 청구항들의 범위 이내에 속하는 것으로 의도된다. This written description is intended to disclose the present invention, including the best mode, and also includes making and using any apparatus or systems and practicing any integrated methods by any person skilled in the art. To make it possible to practice the present invention, examples are used. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Other such examples are the scope of the claims if they include structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal language of the claims. It is intended to fall within
Claims (20)
가스 터빈 엔진에 의해 생성되는 배기 가스를 처리하도록 구성되는 배기 처리 시스템의 덕트 내로 유체를 분사하도록 구성되는 복수의 분사 튜브를 포함하는 분사 시스템으로서, 상기 배기 처리 시스템은, 상기 배기 처리 시스템의 배기 덕트 내에 배치되고 상기 배기 가스 내의 질소산화물들(NOx)의 레벨을 감소시키도록 구성되는 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 포함하는 것인, 분사 시스템; 및
상기 배기 처리 시스템 내에 배치되는 혼합 시스템으로서, 상기 혼합 시스템은, 상기 배기 처리 시스템의 축을 따르는 난류를 촉진하기 위해 그리고 그로 인해 상기 유체와 상기 배기 가스 사이의 혼합을 가능하게 하기 위해, 제1 소용돌이 방향으로, 상기 유체, 또는 상기 배기 가스, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하도록 구성되는 복수의 회전형 난류 발생기를 포함하는 망(grid)을 구비하는 혼합 모듈을 포함하는 것인, 혼합 시스템
을 포함하고,
상기 혼합 모듈은, 상기 복수의 회전형 난류 발생기의 회전형 난류 발생기 각각이 상기 망의 수평 방향 또는 수직 방향을 따라 다른 회전형 난류 발생기에 대해 다른 위치에 배열되도록, 상기 가스 터빈 엔진과 상기 배기 덕트 사이에 위치되는 상기 배기 처리 시스템의 전이 덕트 내에 배치되며, 상기 수평 방향 또는 상기 수직 방향은 상기 축에 교차하고, 상기 복수의 회전형 난류 발생기의 회전형 난류 발생기 각각은, 각각의 회전형 난류 발생기를 상기 축에 대해 회전시키도록 구성되는 샤프트를 포함하는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.A simple-cycle gas turbine system comprising:
An injection system comprising a plurality of injection tubes configured to inject a fluid into a duct of an exhaust treatment system configured to treat exhaust gas generated by a gas turbine engine, the exhaust treatment system comprising: an injection system disposed within and comprising a selective catalytic reduction (SCR) system configured to reduce the level of nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas; and
A mixing system disposed within the exhaust treatment system, the mixing system comprising: a first vortex direction to promote turbulence along an axis of the exhaust treatment system and thereby enable mixing between the fluid and the exhaust gas wherein the mixing system comprises a mixing module having a grid comprising a plurality of rotary turbulence generators configured to swirl the fluid, or the exhaust gas, or both.
including,
the mixing module is arranged such that each of the rotary turbulence generators of the plurality of rotary turbulence generators is arranged at a different position relative to another rotary turbulence generator along a horizontal direction or a vertical direction of the mesh, the gas turbine engine and the exhaust duct a respective rotary turbulence generator of the plurality of rotary turbulence generators disposed in a transition duct of the exhaust treatment system positioned therebetween, the horizontal direction or the vertical direction intersecting the axis; and a shaft configured to rotate about the axis.
상기 혼합 모듈은 제1 혼합 모듈이고, 상기 복수의 회전형 난류 발생기는 제1 복수의 회전형 난류 발생기이며, 상기 혼합 시스템은, 상기 제1 혼합 모듈의 하류에 배치되며 상기 배기 처리 시스템 내에서 제2 소용돌이 방향으로, 상기 유체, 또는 상기 배기 가스, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하도록 구성되는 제2 복수의 회전형 난류 발생기를 구비하는 제2 혼합 모듈을 포함하는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.The method of claim 1,
wherein the mixing module is a first mixing module, the plurality of rotary turbulence generators are a first plurality of rotary turbulence generators, and the mixing system is disposed downstream of the first mixing module and is a first in the exhaust treatment system. and a second mixing module having a second plurality of rotary turbulence generators configured to swirl the fluid, or the exhaust gas, or both, in two vortex directions.
상기 제1 소용돌이 방향 및 상기 제2 소용돌이 방향은 동일한 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.3. The method of claim 2,
and the first vortex direction and the second vortex direction are the same.
상기 제1 소용돌이 방향 및 상기 제2 소용돌이 방향은 상이한 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.3. The method of claim 2,
and the first vortex direction and the second vortex direction are different.
상기 제1 복수의 회전형 난류 발생기 및 상기 제2 복수의 회전형 난류 발생기는, 상기 배기 처리 시스템의 종방향 축을 따라 정렬되는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.3. The method of claim 2,
wherein the first plurality of rotary turbulence generators and the second plurality of rotary turbulence generators are aligned along a longitudinal axis of the exhaust treatment system.
상기 제1 복수의 회전형 난류 발생기 및 제2 복수의 회전형 난류 발생기는, 상기 배기 처리 시스템의 종방향 축을 따라 엇갈림식 배열 형태로 배열되는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.3. The method of claim 2,
wherein the first plurality of rotary turbulence generators and the second plurality of rotary turbulence generators are arranged in a staggered arrangement along a longitudinal axis of the exhaust treatment system.
상기 제1 혼합 모듈, 상기 제2 혼합 모듈, 또는 양자 모두는 상기 복수의 분사 튜브의 분사 튜브들 사이에 배치되는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템. 3. The method of claim 2,
wherein the first mixing module, the second mixing module, or both are disposed between the injection tubes of the plurality of injection tubes.
상기 복수의 회전형 난류 발생기의 회전형 난류 발생기 각각은, 상기 회전형 난류 발생기의 중심으로부터 반경 방향으로 연장되는 복수의 핀을 포함하며, 상기 복수의 핀 중의 핀이, 상기 제1 소용돌이 방향으로, 상기 배기 처리 시스템의 종방향 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템. The method of claim 1,
Each of the rotary turbulence generators of the plurality of rotary turbulence generators includes a plurality of fins extending in a radial direction from a center of the rotary turbulence generator, wherein the fins of the plurality of fins in the first vortex direction; and is configured to rotate about a longitudinal axis of the exhaust treatment system.
상기 혼합 모듈은, 적어도 상기 제1 소용돌이 방향으로, 공기, 상기 배기 가스, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하도록 구성되는 복수의 주름진 패킹 플레이트를 포함하는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.The method of claim 1,
wherein the mixing module comprises a plurality of corrugated packing plates configured to swirl air, the exhaust gas, or both, at least in the first vortex direction.
상기 주름진 패킹 플레이트들은 천공되는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템. 10. The method of claim 9,
wherein the corrugated packing plates are perforated.
상기 분사 시스템은, 상기 전이 덕트 내로 유체로서 냉각 공기를 분사하도록 구성되고, 상기 전이 덕트는 상기 가스 터빈 엔진의 터빈에 유동적으로 결합되며, 상기 혼합 모듈은, 상기 배기 처리 시스템의 상기 축을 따라 상기 배기 가스와 상기 냉각 공기의 난류를 촉진하도록 구성되며 그로 인해 상기 냉각 공기와 상기 배기 가스 사이의 혼합 및 열 교환을 용이하게 하도록 하는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.The method of claim 1,
wherein the injection system is configured to inject cooling air as a fluid into the transition duct, the transition duct is fluidly coupled to a turbine of the gas turbine engine, and the mixing module is configured to: wherein the simple-cycle gas turbine system is configured to promote turbulence of gas and the cooling air, thereby facilitating mixing and heat exchange between the cooling air and the exhaust gas.
상기 분사 시스템은, 상기 SCR 시스템의 촉매를 수용하는 상기 배기 덕트 내로, 상기 유체로서 환원제를 분사하도록 구성되고, 상기 혼합 시스템의 제2 혼합 모듈은 상기 배기 덕트 내부에 배치되며, 상기 제2 혼합 모듈은, 상기 배기 처리 시스템의 상기 축을 따라 상기 배기 가스와 상기 환원제의 난류를 촉진하도록 구성되며 그로 인해 상기 환원제와 상기 배기 가스 사이의 혼합을 용이하게 하도록 하는 것인, 단순-사이클 가스 터빈 시스템.The method of claim 1,
the injection system is configured to inject a reducing agent as the fluid into the exhaust duct containing a catalyst of the SCR system, a second mixing module of the mixing system disposed within the exhaust duct, the second mixing module is configured to promote turbulence of the exhaust gas and the reducing agent along the axis of the exhaust treatment system, thereby facilitating mixing between the reducing agent and the exhaust gas.
단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템의 배기 처리 시스템 내에 배치되는 혼합 시스템을 포함하고,
혼합 시스템은:
제1 소용돌이 방향으로, 냉각 공기, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템의 대형 가스 터빈 엔진에 의해 생성되는 배기 흐름, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하도록 구성되는 제1 복수의 회전형 난류 발생기를 구비하는 제1 망을 포함하는 제1 혼합 모듈; 및
제2 소용돌이 방향으로, 상기 냉각 공기, 상기 배기 흐름, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하도록 구성되는 제2 복수의 회전형 난류 발생기를 구비하는 제2 망을 포함하는 제2 혼합 모듈
을 포함하고,
상기 제1 혼합 모듈, 상기 제2 혼합 모듈 또는 양자 모두는, 상기 제1 및 제2 복수의 회전형 난류 발생기가 각각의 망의 수평 방향 또는 수직 방향을 따라 다른 회전형 난류 발생기에 대해 다른 위치에 배열되도록, 상기 배기 처리 시스템의 전이 덕트 내에 배치되고, 상기 수평 방향 또는 상기 수직 방향은 상기 배기 처리 시스템을 통하는 유동 방향에 교차하며, 상기 제1 및 제2 복수의 회전형 난류 발생기의 회전형 난류 발생기 각각은, 상기 회전형 난류 발생기를 상기 배기 처리 시스템의 종방향 축에 대해 회전시키도록 구성되는 샤프트를 포함하는 것인, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.A simple-cycle large gas turbine system comprising:
a mixing system disposed within an exhaust treatment system of a simple-cycle large gas turbine system;
The mixing system is:
a first having a first plurality of rotatable turbulence generators configured to swirl, in a first vortex direction, cooling air, an exhaust stream produced by a large gas turbine engine of a simple-cycle large gas turbine system, or both a first mixing module comprising a network; and
a second mixing module including a second mesh having a second plurality of rotatable turbulence generators configured to swirl the cooling air, the exhaust stream, or both, in a second vortex direction
including,
The first mixing module, the second mixing module, or both may be configured such that the first and second plurality of rotary turbulence generators are positioned at different positions relative to other rotary turbulence generators along a horizontal direction or a vertical direction of each mesh. arranged in a transition duct of the exhaust treatment system, wherein the horizontal direction or the vertical direction intersects a flow direction through the exhaust treatment system, the rotational turbulence of the first and second plurality of rotary turbulence generators wherein each of the generators includes a shaft configured to rotate the rotary turbulence generator about a longitudinal axis of the exhaust treatment system.
전이 섹션으로 상기 냉각 공기를 공급하도록 구성되는 복수의 공기 분사 튜브를 포함하는 공기 분사 시스템을 더 포함하는 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.14. The method of claim 13,
A simple-cycle large gas turbine system further comprising an air jet system comprising a plurality of air jet tubes configured to supply the cooling air to a transition section.
상기 제1 혼합 모듈, 상기 제2 혼합 모듈, 또는 양자 모두는, 상기 복수의 공기 분사 튜브의 공기 분사 튜브들 사이에 배치되는 것인, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.15. The method of claim 14,
wherein the first mixing module, the second mixing module, or both are disposed between the air jet tubes of the plurality of air jet tubes.
상기 제1 소용돌이 방향 및 상기 제2 소용돌이 방향은 동일한 것인, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.14. The method of claim 13,
and the first vortex direction and the second vortex direction are the same.
상기 제1 소용돌이 방향 및 상기 제2 소용돌이 방향은 상이한 것인, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.14. The method of claim 13,
and the first vortex direction and the second vortex direction are different.
상기 제1 복수의 회전형 난류 발생기 및 상기 제2 복수의 회전형 난류 발생기는, 상기 배기 처리 시스템의 종방향 축을 따라 정렬되는 것인, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.14. The method of claim 13,
wherein the first plurality of rotary turbulence generators and the second plurality of rotary turbulence generators are aligned along a longitudinal axis of the exhaust treatment system.
상기 제1 복수의 회전형 난류 발생기 및 상기 제2 복수의 회전형 난류 발생기는, 상기 배기 처리 시스템의 종방향 축을 따라 엇갈림식 배열 형태로 배열되는 것인, 단순-사이클 대형 가스 터빈 시스템.14. The method of claim 13,
wherein the first plurality of rotary turbulence generators and the second plurality of rotary turbulence generators are arranged in a staggered arrangement along a longitudinal axis of the exhaust treatment system.
가스 터빈 엔진으로부터 배기 처리 시스템의 전이 섹션 내로 배기 흐름을 유동시키는 단계;
냉각 공기를 분사하도록 구성되는 복수의 공기 분사 튜브를 포함하는 공기 분사 시스템을 사용하여 상기 전이 섹션 내의 상기 배기 흐름의 유동 내로 냉각 공기를 분사하는 단계;
혼합 모듈들의 배열 집단을 구비하는 혼합 시스템을 사용하여, 상기 배기 처리 시스템의 전이 섹션 내에서, 상기 배기 흐름, 또는 상기 냉각 공기, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하는 단계로서, 혼합 모듈들의 배열 집단의 혼합 모듈 각각은, 상기 배기 흐름, 상기 냉각 공기, 또는 양자 모두를, 제1 방향, 제2 방향, 또는 양자 모두로, 소용돌이치게 하도록 구성되는 복수의 회전형 난류 발생기를 구비하는 망을 포함하고, 상기 배기 가스, 상기 냉각 공기, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하는 것은, 냉각된 배기 가스를 생성하기 위해 상기 배기 처리 시스템 내부에서 상기 배기 흐름과 상기 냉각 공기를 혼합하며 상기 배기 흐름과 상기 냉각 공기 사이의 열 전달을 용이하게 하며, 상기 복수의 회전형 난류 발생기의 회전형 난류 발생기 각각은, 각각의 회전형 난류 발생기를 회전시키도록 구성되는 샤프트를 포함하는 것인, 상기 배기 흐름, 또는 상기 냉각 공기, 또는 양자 모두를 소용돌이치게 하는 단계;
상기 냉각된 배기 가스를 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템으로 유도하는 단계; 및
상기 SCR 시스템을 사용하여, 냉각된 배기 가스 내의 질소산화물들(NOx)의 레벨을 감소시키는 단계
를 포함하는 것인, 배기 가스 처리 방법.
A method for treating exhaust gases in a simple-cycle gas turbine system, comprising:
flowing an exhaust stream from the gas turbine engine into a transition section of an exhaust treatment system;
injecting cooling air into the flow of exhaust stream in the transition section using an air injection system comprising a plurality of air injection tubes configured to inject cooling air;
swirling the exhaust stream, or the cooling air, or both, within a transition section of the exhaust treatment system using a mixing system having an array population of mixing modules; each module comprising: a mesh having a plurality of rotary turbulence generators configured to swirl the exhaust stream, the cooling air, or both, in a first direction, a second direction, or both; Vortexing the exhaust gas, the cooling air, or both, mixes the exhaust stream and the cooling air within the exhaust treatment system to produce a cooled exhaust gas and heat between the exhaust stream and the cooling air the exhaust stream, or the cooling air; or swirling both;
directing the cooled exhaust gas to a selective catalytic reduction (SCR) system; and
reducing the level of nitrogen oxides (NO x ) in the cooled exhaust gas using the SCR system;
A method for treating exhaust gases, comprising:
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